钢筋混凝土框架构件设计

钢筋混凝土框架构件设计延性耗能框架的概念设计框架梁抗震设计框架柱抗震设计梁柱节点核芯区抗震设计钢筋的连接和锚固主要内容6.1延性耗能框架的概念设计一、延性结构1、延性结构(截面)能维持承载能力而又具有较大的塑性变形的能力截面开始屈服——My、y、fy、y截面破坏——Mu、u、fu、u2、截面和构件的塑性变形能力常常用延性比来衡量,延性比越大，延性越好——构件位移延性比：f=fu/fy——截面曲率延性比：=u/y——顶点位移延性比:=u/y二、延性框架设计基本措施1、钢筋混凝土结构的“塑性铰控制”理论基本要点允许某些截面出现塑性铰，吸收、耗散地震能量控制塑性铰出现部位——选择合理截面形式及配筋构造塑性铰本身有较好的塑性变形能力和吸收耗散能量的能力塑性铰能使结构具有较大的延性塑性铰：适筋截面在钢筋屈服到混凝土压碎过程中形成的“铰”特点：塑性铰理想铰承受基本不变的弯矩不能承受弯矩具有一定的长度集中于一点只能沿弯矩方向转动任意转动塑性铰对结构的影响①使超静定结构发生内力重分布②塑性铰出现后，只要结构不产生机动，任然可以承受荷载，直到足够多的塑性铰形成后，结构机动，才产生破坏主要影响因素：塑性铰的转动能力（配筋率，混凝土极限压应变）斜截面承载力正常使用极限状态（不出现塑性铰）2、钢筋混凝土延性框架的基本措施是：强柱弱梁强剪弱弯强结点、弱杆件(强结点、强锚固)强底层柱(局部加强)框架屈服机制(a)梁铰机制(b)柱铰机制(c)混合铰机制6.2框架梁抗震设计一、梁的破坏形态与延性1、在抗震框架中，应设计具有良好延性的框架梁弯曲破坏：少筋梁——脆性破坏；超筋梁——脆性破坏适筋梁——延性破坏，具有塑性变形能力剪切破坏：斜拉或斜压破坏——脆性剪压破坏——延性很小不同弯曲破坏形态的梁2、对于抗震的框架，不仅要求梁在塑性铰出现之前不被剪坏，而且还要要求在塑性铰出现之后也不要过早剪坏，要求延性梁的抗剪承载能力大于抗弯承载能力，即强剪弱弯二、影响梁延性的因素及改善延性的措施1、影响梁延性的因素ξ值：ξ↓，延性好2、改善梁延性的措施减小x(ξ)梁端塑性铰区箍筋加密形截面采用加大减小T梁端塑性铰区裂缝三、框架梁的截面设计1、梁的正截面承载力计算（1）梁的正截面承载力计算公式：不考虑地震作用的组合时：γ0S≤R→γ0M≤Mu考虑地震作用的组合时：SE≤RE/γRE→ME≤MuE/γRE抗震设计中的正截面承载力直接采用静载作用下的承载力计算公式，即：RE=R（MuE=Mu）ME≤MuE/γRE=Mu/γRE（或γREME≤Mu）（2）框架梁梁端截面的底部和顶部纵向受力钢筋截面面积的比值，除按计算确定外，另一级抗震等级：A's/As≥0.5二、三级抗震等级：A's/As≥0.3框架梁两端(支座截面)必须是双筋截面（3）承载力计算公式ysyscfAfAfbx1由平衡条件X=0：得到名义压区高度为：cyybfffhx10由另一极限状态平衡条件M|As=0得不考虑地震作用时：)()5.0)((00maxahfAxhfAfAMbysbysysb考虑地震作用时：)]()5.0)([(100maxahfAxhfAfAMbysbysysREb（4）正截面构造要求①计入纵向受压钢筋的梁端混凝土受压区高度：非抗震：x≤ξbh0一级抗震等级：x≤0.25h0二、三级抗震等级：x≤0.35h0②抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5%，不应大于2.75%；当梁端受拉钢筋的配筋率大于2.5％时，受压钢筋的配筋率不应小于受拉钢筋的一半③抗震设计时，纵向受拉钢筋的最小配筋率（%）④非抗震设计框架的要求同一般钢筋混凝土结构抗震等级一二三、四支座0.40，80ft/fy0.30，65ft/fy0.25，55ft/fy跨中0.30，65ft/fy0.25，55ft/fy0.20，45ft/fy2、梁的斜截面承载力计算（1）按照“强剪弱弯”的要求调整剪力设计值Vb调整前的最大剪力：rGbnrblbrGbrMbrbVlMMVVV0按“强剪弱弯”要求，将由弯矩产生的剪力放大vb倍：rGbnrblbvbbVlMMV9度和一级抗震时尚应符合以下要求：rGbnrbulbubVlMMV1.1vb——梁剪力增大系数。一、二、三级抗震时，vb分别为1.3、1.2、1.1。Mlbu、Mrbu——框架梁左、右端的极限抗弯承载力。按梁的实际配筋计算。计算时取钢筋抗拉强度标准值fyk。可按下列简化公式计算Mbu：Mbu=Asfyk(hb0－a)Mlb、Mrb——组合得到的梁左、右端计算弯矩。VGb——梁在本跨竖向荷载作用下产生的简支支座反力设计值（2）梁斜截面计算公式考虑地震作用时VE≤VuE/REVuE=0.6Vc+Vs]42.0[100hsAfbhfVsvyvtREb（3）梁斜截面有关构造规定截面尺寸和混凝土强度：考虑地震作用组合时，当跨高比l0/h≥2.5时，Vb≤(0.20βcfcbh0)/γRE；当跨高比l0/h2.5时，Vb≤(0.15βcfcbh0)/γRE在强柱弱梁和强剪弱弯的情况下，不宜采用加大梁高度的作法；常常采用截面高宽比较小的扁梁不利用弯起钢筋抗剪沿梁全长箍筋的面积配筋率ρsv：一级抗震等级ρsv≥0.30ft/fyv二级抗震等级ρsv≥0.28ft/fyv三、四级抗震等级ρsv≥0.26ft/fyv非抗震ρsv≥0.24ft/fyv第一个箍筋应设置在距支座边缘50mm处钢箍必须做成封闭箍，加135°弯钩，弯钩端头直段长度应为10d，且不小于75mm6.3框架柱抗震设计一、柱的破坏形态和延性①弯曲破坏：延性破坏——σs→fy；σ'y→f'y；σc→fc②剪切受压破坏：脆性破坏——水平裂缝发展成斜裂缝，受压区混凝土剪切错动③剪切受拉破坏：脆性破坏——λ较小，箍筋少，主筋σs→fy后，箍筋突然屈服④剪切斜拉破坏：脆性破坏——短柱中，斜裂缝成对角线，σsv→fyv时，σsfy⑤粘结破坏——脆性破坏二、影响柱延性的因素1.剪跨比λ：λ=M/(Vhc)——柱的剪跨比小，延性差5.125.12cVhM长柱——弯曲破坏，延性短柱——剪切破坏，箍筋足够时，有一定延性极短柱——脆性一般Hc0/(2hc)，故剪跨比也可用柱的长细比来表达。Hc0为柱净高3434000cccccchHhHhH长柱短柱极短柱改变短柱为长柱的措施之一：采用分体柱(见下图)2、轴压比μN：μN=NE/(bchcfc)①μN越小，延性越好对称配筋柱，混凝土的相对受压区高度与轴压比有关②轴压比的限制值见表结构类型抗震等级一二三框架0.650.750.85框架一剪力墙框架一核芯筒0.750.850.90框支结构0.60.7——不同轴压比下的滞回曲线3、剪压比V：V=VE/(bchc0fc)①μV越小，延性越好②剪压比的限制不考虑地震组合：μV≤0.25考虑地震组合：μV≤0.20/γRE——λ＞2μV≤0.15/γRE——λ≤24、塑性铰区的箍筋配置箍筋的作用：直接承担剪力约束混凝土防止纵筋压曲配箍特征值λV:λv越大对混凝土约束越强，混凝土极限压应变越大箍筋的约束作用不同配箍特征值的混凝土应力应变关系曲线三、柱的正截面承载力计算1、计算公式：NE≤NuE/RE=Nu/RE（对大偏心受压柱）REsycsysycahAfxhbxfeNAfAfbxfN/)]()2([]/[001RE12、柱端弯矩调整（1）按“强柱弱梁”要求调整静力平衡条件：Muc0+Mdc0=Mbl+Mbr“强柱弱梁”要求：柱端弯矩放大ηMc倍9度和一级框架尚应满足：∑Mc≥1.2∑Mbu∑Mc——同一节点上下柱端截面设计弯矩之和；∑Mb——同一节点左右梁端截面设计弯矩之和；∑Mbu——同一节点左右梁端截面抗弯承载力之和。ηMc——对二、三级抗震等级分别取为1.5、1.30cMcbMccMMM即：（2）按“强底层柱”要求调整抗震设计时，一、二、三级框架结构底层柱下端截面弯矩设计值，应按考虑地震作用组合的弯矩设计值分别乘以增大系数1.7、1.5和1.33、柱正截面构造规定最小配筋率(见规范)、最大配筋率(≤5%)。对称配筋。最小截面尺寸[250mm(300mm)，圆柱d≥350mm]。纵筋间距(≤200mm)。纵筋接头要求四、柱的斜截面承载力1、计算公式（考虑地震作用）VE≤VuE/REVuE=0.6Vc+Vs即：Vb≤VuE/RE=（0.6Vc+Vs)/RE]056.0105.1[100NhsAfbhfVsvyvtREC]2.0105.1[100NhsAfbhfVsvyvtREC轴力为压力：轴力为拉力：2、剪力调整：按柱“强剪弱弯”要求调整nbctcbctcocHMMVVV00nbctcvccHMMV平衡条件：强剪弱弯要求：对一、二、三级抗震等级，cv分别为1.3、1.2。9度和一级框架尚应符合：02.1cbcutcubHMMVMtc、Mbc——由内力组合得到的柱上、下端的最不利设计弯矩。Mtcu、Mbcu——柱上、下端截面的抗弯承载力，可按实际配筋面积和材料强度标准值确定。3、柱的斜截面构造要求（1）最小截面尺寸：无地震组合时：2的柱：Vc≤0.25cfcbchc0≤2的柱：Vc≤0.20cfcbchc0有地震组合时：2的柱：Vc≤(0.20cfcbchc0)RE≤2的柱：Vc≤(0.15cfcbchc0)RE（2）柱的箍筋箍筋形式：普通矩形箍、螺旋箍、复式箍等箍筋加密区范围：1底层柱的上端和其他各层柱的两端，应取矩形截面柱之长边尺寸(或圆形截面柱之直径)、柱净高之1／6和500mm三者之最大值范围；2底层柱刚性地面上、下各500mm的范围；3底层柱柱根以上1／3柱净高的范围；4剪跨比不大于2的柱和因填充墙等形成的柱净高与截面高度之比不大于4的柱全高范围；5一、二级框架角柱的全高范围；6需要提高变形能力的柱的全高范围加密区箍筋数量：抗震等级箍筋最大间距(取较小值)箍筋最小直径(取较大值)一6d，l00mmd／4，10二8d，l00mmd／4，8三8d，150mm(柱根l00mm)d／4，8四8d，150mm(柱根l00mm)d／4，6(柱根8)加密区体积配箍率：slllAsvsvv21≥vfc／fyvλv——最小体积配箍特征值箍筋的无支长度——柱纵筋之间的距离一级不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值；二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值；四级不宜大于300mm；为便于浇灌混凝土，纵筋间距也不宜小于50mm；每隔一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋约束6.4梁柱节点核芯区抗震设计一、强节点、强锚固1、节点区的破坏节点区无箍筋或少箍筋，在剪压作用下混凝土出现斜裂缝，然后挤压破碎，纵向钢筋压屈成灯笼状钢筋锚固破坏2、强节点抗剪验算，在节点区配置足够的箍筋，并保证混凝土的强度及密实性3、强锚固处理好纵向钢筋在节点区的锚固构造二、节点区设计剪力在地震作用下，通过节点区的梁纵向钢筋一侧受拉，另一侧受压，容易出现粘结破坏节点设计剪力——由强节点要求，能抵抗当节点两边梁端出现塑性铰时的节点区剪力1、平衡条件—图示中柱节点核芯区上半部为隔离体：Vj=(Cs+Cc)+fykAts-Vc=(fykAbs)+fykAts–VcsbbuykssbyksbubcrbulbubctcbccahMfAahfAMhHMMhHMMV00)(bcsbsbbujhHahahMV0012、强结点要求——平衡剪力放大jb倍9度和一级框架：